CN106556956A - 光学影像稳定装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭露一种光学影像稳定装置，应用于一相机模块，该相机模块的一镜头由一马达驱动，该相机模块包含用于感应该马达对该镜头的一驱动量的一驱动感应器，以及包含检测该相机模块的震动程度的一震动感应器。光学影像稳定装置包含：具有一第一加法器的一滤波器、一映射电路、一转换单元、一积分器、一第二加法器以及一马达驱动电路。该第一加法器及该第二加法器为共用同一加法电路。

Description

光学影像稳定装置

技术领域

本发明涉及一种光学影像，尤其涉及光学影像稳定装置。

背景技术

除了数码相机之外，现今愈来愈多手持电子装置也内建相机功能，例如手机、平板电脑(tablet)等。然而手机及平板电脑的相机模块的进光量及感光元件的尺寸都不如数码相机，所以必须搭配更佳的防手震机制来得到更好的照片及/或影片品质。而随着手机及平板电脑的普及以及市场竞争日趋激烈，需仰赖高效能及低成本的光学防手震(optical image stabilization,OIS)解决方案来为手机及平板电脑等电子装置带来更多的竞争优势。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种光学影像稳定装置及基于该光学影像稳定装置的镜头调整方法，是利用易于实作的电路来减少拍摄时的震动影响，以提高影像品质。

为达上述目的，本发明提供一种光学影像稳定装置，应用于一相机模块，该相机模块的一镜头由一马达驱动，该相机模块包含用于感应该马达对该镜头的一驱动量的一驱动感应器，以及包含检测该相机模块的震动程度的一震动感应器，该光学影像稳定装置包含：

一滤波器，利用一第一加法器计算该驱动感应器的一驱动感应信号于时间上的变化量，以滤波该驱动感应信号；

一映射电路，用来储存该驱动感应信号对应一第一角度偏移量的一映射表；

一转换单元，耦接该映射电路，用来依据该映射表将该驱动感应信号转换为该第一角度偏移量；

一积分器，用来对该震动感应器的一震动感应信号积分，以产生一第二角度偏移量；

一第二加法器，耦接该积分器及该转换单元，用来计算该第一角度偏移量及该第二角度偏移量的一差值；以及

一马达驱动电路，耦接该第二加法器，用来依据对应该差值的一控制变数控制该马达对该镜头的该驱动量；

其中，该第一加法器及该第二加法器为共用一加法电路。

上述的光学影像稳定装置，其中更包含：

一比例积分微分控制器，耦接该第二加法器及该马达驱动电路，用来依据该差值产生该控制变数。

上述的光学影像稳定装置，其中该转换单元更耦接该马达驱动电路，用来将该马达驱动电路的一驱动信号转换为一参考信号，该滤波器更利用一第三加法器计算该驱动感应信号与该参考信号的差值，以滤波该驱动感应信号，该第三加法器是与该第一加法器及该第二加法器共用该加法电路。

上述的光学影像稳定装置，其特征在于，该滤波器更包含：

一第一比较器，耦接该第三加法器，用来将该驱动感应信号与该参考信号的差值的绝对值与一第一预设值做比较；以及

一第二比较器，耦接该第一加法器，用来将该驱动感应信号于时间上的变化量的绝对差值与一第二预设值做比较；

该第一比较器及该第二比较器系共用一比较电路。

上述的光学影像稳定装置，其特征在于，该相机模块更包含一影像感应器，用来感应产生来自一参考物的影像，该光学影像稳定装置更包含：

一处理单元，耦接该影像感应器，用来分析该参考物的影像以产生用以补偿该相机模块的组装误差的一调整量；以及

一记忆体，耦接该处理单元及该马达驱动电路，用来储存该调整量；

其中，该马达驱动电路更依据该调整量控制该马达对该镜头的该驱动量。

上述的光学影像稳定装置，其特征在于，该相机模块更包含一影像感应器，用来感应产生来自一目标物的影像，该光学影像稳定装置更包含：

一处理单元，耦接该影像感应器及该马达驱动电路，用来分析该目标物的影像以产生对应该目标物位移的一角速度信息，并依据该角速度信息产生一偏移补偿量；

其中，该马达驱动电路更依据该偏移补偿量控制该马达对该镜头的该驱动量。

本发明的光学影像稳定装置及基于该光学影像稳定装置的镜头调整方法以易于实作的电路来达到光学影像稳定的效果，并藉由对各元件的时程控制来达到共用电路的效果，以节省电路成本。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明光学防手震电路的一实施例的功能方框图；

图2为本发明的滤波器的一实施例的局部电路图；

图3为本发明的滤波器的一实施例的局部电路图；

图4为本发明比例积分微分控制器140的细部电路图；

图5为本发明的光学影像稳定装置10检测并记录相机模块的组装误差的一实施例的流程图；

图6为本发明依据目标物的位移信息来对镜头进行偏移补偿的一实施例的流程图；以及

图7为本发明的加法电路、乘法电路及比较电路由光学防手震电路的各个元件所使用的时序图。

其中，附图标记

10 光学影像稳定装置

20 影像感应器

30 震动感应器

40 音圈马达

50 驱动感应器

110 处理单元

115 记忆体

120、190 模拟数字转换器

130 积分器

135、184、188、146 加法器

140 比例积分微分控制器

150 马达驱动电路

160 转换单元

165、175、186 多工器

170 映射电路

180 滤波器

141、142、143、144、181、182、183、187 延迟单元

185、189 比较器

145 乘法器

147 暂存器

S510～S560、S610～S640 步骤

具体实施方式

以下说明内容的技术用语系参照本技术领域的习惯用语，如本说明书对部分用语有加以说明或定义，该部分用语的解释是以本说明书的说明或定义为准。

本发明的揭露内容包含光学影像稳定装置及基于该光学影像稳定装置的镜头调整方法。由于本发明的光学影像稳定装置所包含的部分元件单独而言可能为已知元件，因此在不影响该装置发明的充分揭露及可实施性的前提下，以下说明对于已知元件的细节将予以节略。此外，本发明的基于该光学影像稳定装置的镜头调整方法可以是软件及/或固件的形式，在不影响该方法发明的充分揭露及可实施性的前提下，以下方法发明的说明将着重于步骤内容而非硬件。

图1本发明光学防手震电路的一实施例的功能方框图。光学影像稳定装置10(或称为光学防手震电路)的功能的一在于依据震动感应器30所产生的震动感应信号(反应相机模块的震动程度)，来控制音圈马达40相对应地调整镜头的位置，以补偿因相机模块震动所造成的镜头偏移。震动感应器30可以例如是陀螺仪，其感测相机模块的震动而产生角速度信号。积分器130对数码化(由ADC 120转换)后的角速度信号进行积分运算，得到对应相机模块震动程度的角度偏移量θ_gyro；另一方面，驱动感应器50(例如一霍尔感应器)感应音圈马达40所产生的磁场变化(反应音圈马达40对镜头的驱动量，亦即反应镜头的位移量)而产生驱动感应信号S’，此驱动感应信号S’经由ADC 190转换为数码格式后(驱动感应信号S)，经由滤波器180滤除噪声，再由转换单元160参考映射电路170的一映射表转换为对应镜头位移量的角度偏移量θ_hall。加法器135计算出角度偏移量θ_gyro及角度偏移量θ_hall的差值θ_error(＝θ_gyro-θ_hall)，比例积分微分(proportional integral and differential,PID)控制器140再依据此差值θ_error控制马达驱动电路150驱动音圈马达40时的驱动信号V的大小(例如电流大小)，使音圈马达40以渐进的方式将镜头移动至目标位置，以避免镜头在一次到位的大幅度移动中产生明显的晃动(damping)。请注意，由于差值θ_error或角度偏移量θ_gyro系依据震动感应器30的震动感应信号而产生，所以可视为光学影像稳定装置10中的震动补偿信号；再者，在某些情况下，如果镜头在移动的过程中所产生的晃动不明显，则光学影像稳定装置10可省略比例积分微分控制器140，在此情况下马达驱动电路150直接耦接加法器135，并直接依据差值θ_error来驱动音圈马达40。

驱动感应器50容易受到温度等操作环境的影响而使得驱动感应信号S带有较大的噪声，滤波器180的目的之一即是滤除此类的噪声。图2为本发明的滤波器的一实施例的局部电路图，此电路的目的在于滤除连续信号中因噪声所造成的信号剧烈变动。三个延迟单元181、182及183各自将信号延迟一个系统的时脉周期T，加法器184耦接三个延迟单元，计算信号S[k-1]与信号S[k-2]的差值ΔS₁以及信号S[k]与S[k-1]的差值ΔS₂(k为整数，代表时间指标)：

ΔS₁＝S[k‐1]‐S[k‐2] (1)

ΔS₂＝S[k]‐S[k‐1] (2)

之后比较器185将ΔS₁与ΔS₂的绝对差值abs(ΔS₁‐ΔS₂)与一临界值做比较，如果ΔS₁与ΔS₂的绝对差值大于临界值，则表示信号S[k-1]的值与信号S[k]的值及信号S[k-2]的值差距过大(亦即信号S[k-1]可能为噪声)，此时比较器185输出控制信号，令多工器186选择信号S[k-2]输出，以滤除噪声信号S[k-1]；而如果ΔS₁与ΔS₂的绝对差值不大于临界值，则比较器185输出控制信号，令多工器186选择信号S[k-1]输出。因此，滤波器180对驱动感应器50经类比数码转换后的连续三个信号作比较，其中只需要用到加法器184作加减运算以及使用比较器185进行比较，而不需要用到乘法器等占用电路面积及运算耗时的电路，因此可以减少滤波器180的成本以及增加效率。

驱动感应器50的驱动感应信号S经滤波后成为滤波信号S_F，此滤波信号S_F再由转换单元160参考映射电路170的映射表将其转换为角度偏移量θ_hall。驱动感应器50的驱动感应信号S与角度偏移量θ_hall的对应关系预先量测并储存在映射电路170的映射表中，转换单元160参考映射表并使用内插法及/或外插法，将驱动感应信号S转换为对应的角度偏移量θ_hall。举例来说，转换单元160先判断滤波信号S_F位于映射电路170的区间[S_map,S_map+1]，其中S_map及S_map-+1分别对应角度偏移量θ_map及θ_map+1，且此区间的斜率为ratio_map；则角度偏移量θ_hall＝(S_F-S_map)·ratio_map+θ_map。

然而，有时驱动感应器50的输出受温度等环境因素的影响过大，而造成其驱动感应信号S中有大范围的不合理输出值，此时滤波器180可以参考马达驱动电路150的驱动信号V所对应的角度偏移量，来滤除此大范围的不合理输出值。当光学影像稳定装置10读取驱动感应器50的驱动感应信号S时，多工器165及175依据控制信号Ctrl(由处理单元110发出)选取滤波信号S_F及对应的映射表使转换单元160据以转换得到角度偏移量θ_hall，接着比例积分微分控制器140可依上述的机制控制马达驱动电路150；另一方面，当马达驱动电路150驱动音圈马达40时，多工器165及175依据控制信号Ctrl选取驱动信号V及对应的映射表使转换单元160据以转换得到信号v2h，此时滤波器180参考此信号v2h来滤除信号S的大范围的不合理输出值。也就是说光学影像稳定装置10可以使用同一个转换单元160来转换驱动感应器50的驱动感应信号S及马达驱动电路150的驱动信号V。

图3为本发明的滤波器的一实施例的局部电路图，此电路的目的在于滤除驱动感应器50的驱动感应信号S中的大范围的不合理的输出值。信号v2h[k]为驱动信号V经转换单元160转换后的信号。经过延迟的信号S[K]与信号v2h[k]同时输入加法器188，加法器188计算得到其绝对差值为abs(S[k]‐v2h[k])。比较器189再将此绝对差值与预设值做比较，如果绝对差值大于预设值，代表此时的驱动感应信号S出现不合理的输出值，则滤波器180略过此段不合理的输出；相反的，如果绝对差值不大于预设值，代表此时的驱动感应信号S为合理的输出值，则滤波器180可以进一步对驱动感应信号S进行滤波(使用图2所示的滤波电路)。

比例积分微分控制器140的细部电路图如图4所示。误差量e(即前述的角度偏移量的差值θ_error)经过三个延迟单元141、142及143的延迟后，由乘法器145将延迟后的误差量e乘上PID系数(储存于暂存器147中)，加法器146再将乘法器145的输出与前一次的控制变数u[k-1]相加，最后可得当次的控制变数u[k]如下：

u[k]＝u[k-1]+k1·e[k]+k2·e[k-1]+k3·e[k-2] (3)

马达驱动电路150依据控制变数u调整其驱动信号V的大小(即驱动力)，其中PID系数k1、k2及k3与原始的PID系数(k_p,k_i,k_d)具有如下的转换关系：

上述的转换关系可由原始的PID公式推导出来，PID最基本的原理公式表示如下：

将方程式(5)转换为离散时间模式后，可得：

将方程式(6)调整如下：

将方程式(4)的转换关系套用至方程式(7)再整理后即可得方程式(3)。利用转换后的PID系数k1、k2及k3做运算，使得本发明的比例积分微分控制器140能用图4所示的简单电路完成，可以免除复杂的积分与微分运算。

综上所述，本发明的光学影像稳定装置10具有电路简单的特点，并且通过适当的时序设计，加法器135、184、188以及146可以共用同一个加法电路，比较器185及189也可共用同一个比较电路。在其中一个实施例中，加法电路、比较电路以及乘法器145所使用的乘法电路可以是各为16位元的数码电路，即可完成光学影像稳定装置10所需的功能，而且以图2及图3完成的滤波器180虽然使用简单的电路及元件，但仍具有极佳的效果。因此本发明的光学影像稳定装置10具有低成本及高效能的优点。

图7为本发明的加法电路、乘法电路及比较电路由光学防手震电路的各个元件所使用的时序图，图中的纵轴代表时间，每一个时间单位为系统的一个时脉周期。在时间T1时转换单元160(使用加法电路及乘法电路)依据映射电路170中相对应的映射表将驱动信号V转换为信号v2h；在时间T2时滤波器180(使用加法电路及比较电路)对驱动感应信号S进行滤波，得到滤波信号S_F；在时间T3时转换单元160(使用加法电路及乘法电路)依据映射电路170中相对应的映射表将滤波信号S_F转换为角度偏移量θ_hall；在时间T4时加法器135(使用加法电路)计算出角度偏移量θ_gyro及角度偏移量θ_hall的差值θ_error；在时间T5时PID控制器140(使用加法电路及乘法电路)依据此差值θ_error控制马达驱动电路150驱动音圈马达40时的驱动信号V的大小；以及在时间T6时转换单元160(使用加法电路及乘法电路)再次依据映射电路170中相对应的映射表将驱动信号V转换为信号v2h，以作为滤波器180下一回滤波程序的参考。光学防手震电路在时间T1～T6对x轴进行检测及补偿，而且在接下来的时间T7～T12以及时间T13～T18分别对y轴及z轴进行检测及补偿，其细节可参考上述对时间T1～T6的描述。时间T19及T20为等待音圈马达40反应的时间，待音圈马达40动作完毕，接下来的时间T21中滤波器180可依据时间T6时所得到的信号v2h再次对驱动感应信号S进行滤波，之后反复进行上述的步骤。

光学影像稳定装置10的另一功能在于藉由分析影像感应器20的输出影像，可以得知相机模块的镜头在组装完成后所产生的组装误差，此类的组装误差会造成影像偏移或模糊。该组装误差可以被预先得知并储存，之后拍照时可藉由控制镜头的位移以抵消该组装误差，因此即便镜头的组装不完美，该相机模块仍可拍出清晰的影像。图5为本发明的光学影像稳定装置10检测并记录相机模块的组装误差的一实施例的流程图。流程刚开始时(例如相机模块刚完成组装)，因为尚无分析结果，所以略过步骤S510直接进行步骤S520。在步骤S520中，像机模块先通过镜头及影像感应器20撷取参考物的影像。参考物上具有定位标记，因此接下来处理单元110可以分析参考物上定位标记的位置及清晰度，来产生分析结果(步骤S530)，并且依据分析结果(例如影像是否够清晰、影像的位置是否正确等等)来决定是否需调整镜头的位置(步骤S540)。如果分析结果指示镜头的位置还没调至最佳的位置(步骤S540判断为是)，则处理单元110依据分析结果控制马达驱动电路150，以驱动音圈马达40调整镜头(步骤S510)。如此反复进行步骤S510～S540，最后当参考物的影像够清晰时(步骤S540判断为否)，可得到镜头在步骤S510～S540的调整过程中在各轴向上的调整量(例如x、y、z方向上的调整量分别为Δx、Δy、Δz，其中x、y、z方向的其中的一为焦距方向)，然后处理单元110再将所获得的调整量储存于记忆体115中(步骤S550)。记忆体115可以是非挥发性的记忆体元件，例如快闪记忆体，则该些调整量不会因为光学影像稳定装置10断电而遗失。之后当相机模块撷取影像时，马达驱动电路150除了参考比例积分微分控制器140的控制变数u之外，更参考记忆体115中的镜头调整量来驱动音圈马达40，亦即马达驱动电路150更依据镜头调整量来调整音圈马达40对镜头的驱动量(步骤S560)。如此一来，镜头可以移动至较佳的拍摄位置以克服镜头的组装误差，而且同时达到光学防手震的效果。

然而相机模块在拍摄时有许多因素会造成影像模糊，其中一个原因是因为正在被拍摄的目标物正在移动。因此光学影像稳定装置10的另一功能在于藉由分析影像感应器20的输出影像，以得知目标物的移动状态，并依据目标物的移动状态作相对应的补偿。图6为本发明依据目标物的位移信息来对镜头进行偏移补偿的一实施例的流程图。如图所示，当相机模块即将拍摄目标物时，此时镜头已对准目标物而且影像感应器20已产生目标物的影像(步骤S610)。之后处理单元110分析目标物的影像并且产生对应目标物位移的角速度信息(亦即将目标物的位移程度转换为相机模块的震动程度)(步骤S620)，此角速度信息即代表目标物于拍摄过程中的移动状态。接着，积分器130对此角速度信息积分，而得到对应目标物位移的角度偏移量，并且比例积分微分控制器140依据此角度偏移量与驱动感应器50的角度偏移量的差值来决定镜头偏移补偿量(步骤S630)。然后马达驱动电路150再依据镜头偏移补偿量驱动音圈马达40以调整镜头，亦即马达驱动电路150更依据镜头偏移补偿量来调整音圈马达40对镜头的驱动量(步骤S640)，使镜头的偏移趋势与目标物的位移趋势一致，以得到更清晰的目标物影像。图6的流程可与光学影像稳定装置10之前述的光学防手震机制同时执行，以得到更佳的影像品质。

上述的光学影像稳定装置10系应用于相机模块，相机模块包含影像感应器20、震动感应器30、音圈马达40、驱动感应器50。光学影像稳定装置10可以是相机模块的一部分，或独立于相机模块之外。请注意，前揭图示中，元件的形状、尺寸、比例以及步骤的顺序等仅为示意，系供本技术领域具有通常知识者了解本发明之用，非用以限制本发明。再者，前揭实施例虽以手持装置的相机模块为例，然此并非对本发明的限制，本技术领域人士可依本发明的揭露适当地将本发明应用于其它类型的影像撷取装置。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种光学影像稳定装置，应用于一相机模块，该相机模块的一镜头由一马达驱动，该相机模块包含用于感应该马达对该镜头的一驱动量的一驱动感应器，以及包含检测该相机模块的震动程度的一震动感应器，其特征在于，该光学影像稳定装置包含：

一滤波器，利用一第一加法器计算该驱动感应器的一驱动感应信号于时间上的变化量，以滤波该驱动感应信号；

一映射电路，用来储存该驱动感应信号对应一第一角度偏移量的一映射表；

一转换单元，耦接该映射电路，用来依据该映射表将该驱动感应信号转换为该第一角度偏移量；

一积分器，用来对该震动感应器的一震动感应信号积分，以产生一第二角度偏移量；

一第二加法器，耦接该积分器及该转换单元，用来计算该第一角度偏移量及该第二角度偏移量的一差值；以及

一马达驱动电路，耦接该第二加法器，用来依据对应该差值的一控制变数控制该马达对该镜头的该驱动量；

其中，该第一加法器及该第二加法器为共用一加法电路。

2.根据权利要求1所述的光学影像稳定装置，其特征在于，更包含：

一比例积分微分控制器，耦接该第二加法器及该马达驱动电路，用来依据该差值产生该控制变数。

3.根据权利要求1所述的光学影像稳定装置，其特征在于，该转换单元更耦接该马达驱动电路，用来将该马达驱动电路的一驱动信号转换为一参考信号，该滤波器更利用一第三加法器计算该驱动感应信号与该参考信号的差值，以滤波该驱动感应信号，该第三加法器是与该第一加法器及该第二加法器共用该加法电路。

4.根据权利要求3所述的光学影像稳定装置，其特征在于，该滤波器更包含：

一第一比较器，耦接该第三加法器，用来将该驱动感应信号与该参考信号的差值的绝对值与一第一预设值做比较；以及

一第二比较器，耦接该第一加法器，用来将该驱动感应信号于时间上的变化量的绝对差值与一第二预设值做比较；

该第一比较器及该第二比较器系共用一比较电路。

5.根据权利要求1所述的光学影像稳定装置，其特征在于，该相机模块更包含一影像感应器，用来感应产生来自一参考物的影像，该光学影像稳定装置更包含：

一处理单元，耦接该影像感应器，用来分析该参考物的影像以产生用以补偿该相机模块的组装误差的一调整量；以及

一记忆体，耦接该处理单元及该马达驱动电路，用来储存该调整量；

其中，该马达驱动电路更依据该调整量控制该马达对该镜头的该驱动量。

6.根据权利要求1所述的光学影像稳定装置，其特征在于，该相机模块更包含一影像感应器，用来感应产生来自一目标物的影像，该光学影像稳定装置更包含：

一处理单元，耦接该影像感应器及该马达驱动电路，用来分析该目标物的影像以产生对应该目标物位移的一角速度信息，并依据该角速度信息产生一偏移补偿量；

其中，该马达驱动电路更依据该偏移补偿量控制该马达对该镜头的该驱动量。